High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

Para comprender el trabajo descrito aquí, primero hay que entender el desafío básico de la física de partículas moderna: cómo hacer que las partículas diminutas se muevan increíblemente rápido. Durante décadas, los científicos han utilizado máquinas masivas, a menudo de kilómetros de largo, para impulsar los electrones a altas velocidades. Estas máquinas utilizan ondas de radio para dar un "empujón" a las partículas, pero la fuerza que pueden aplicar es limitada. Si se intenta empujar con demasiada fuerza en un espacio corto, la máquina se rompe o se vuelve ineficiente. Esto ha mantenido el tamaño y el costo de estos aceleradores enormes, limitando quién puede usarlos y qué pueden hacer.

Un enfoque diferente, conocido como aceleración por campo de plasma inducido por láser (laser wakefield acceleration), ofrece una forma de reducir estas máquinas al tamaño de una habitación. En lugar de ondas de radio, este método utiliza un pulso intenso de luz láser disparado hacia un gas. El láser es tan potente que arranca los electrones de los átomos del gas, creando un plasma. A medida que el pulso del láser se mueve a través de este plasma, empuja los electrones hacia los lados, creando una estela detrás de él, muy parecida a la estela de un bote que se mueve a través del agua. Esta estela crea un campo eléctrico poderoso que puede atrapar otros electrones y acelerarlos a altas velocidades en una distancia muy corta. La clave para que esto funcione bien es mantener el haz láser enfocado y fuerte mientras viaja a través del gas. Si el haz se dispersa, la aceleración se detiene. Durante mucho tiempo, mantener un haz tan potente enfocado durante una distancia larga fue difícil e inestable, requiriendo a menudo configuraciones complejas que eran difíciles de mantener o que podían ser dañadas por el propio láser.

Investigadores de la instalación ELI Beamlines en la República Checa, trabajando con colegas de la Universidad de Maryland, han demostrado ahora una nueva forma de resolver este problema de enfoque. Construyeron una configuración experimental que utiliza solo espejos para guiar el láser, evitando cualquier vidrio o lente que pudiera ser dañado o distorsionado por el calor del potente haz. El núcleo de su innovación es un cono reflectante especial, llamado axicón fuera de eje, que ayuda a dar forma al haz láser antes de que entre en el gas. Esta configuración permitió crear un canal estable en gas de helio, una alternativa segura y fácil de manejar al hidrógeno que se utiliza a menudo en experimentos similares.

En sus experimentos, el equipo disparó un pulso láser con una duración de solo 30 femtosegundos —una escala de tiempo tan corta que es difícil de imaginar— que transportaba 13 julios de energía. Dividieron este pulso en dos partes. Una parte, el conductor principal, fue enfocada para acelerar los electrones. La otra parte fue moldeada en un patrón especial de tipo anillo para crear un canal preformado en el gas de helio. Este canal actuó como un tubo hueco para el pulso de láser principal, manteniéndolo estrechamente enfocado mientras viajaba a través del gas. Los investigadores probaron este sistema a dos velocidades diferentes. A una tasa más lenta de 0.2 disparos por segundo, aceleraron con éxito electrones a energías de aproximadamente 5 mil millones de electrones voltios. Este es un logro significativo, que muestra que el método puede producir haces de alta energía en una sola etapa.

El equipo también llevó el sistema a operar a una tasa mucho más rápida de 3.3 disparos por segundo. Aunque no midieron la aceleración de los electrones a esta velocidad mayor de la misma manera, demostraron que el haz láser podía guiarse de forma estable a través del canal de plasma durante periodos prolongados sin que el sistema se degradara. Este es un paso crucial hacia la aplicación práctica de estos aceleradores en el uso diario, ya que las tasas de repetición más altas significan más datos y haces más utilizables. El uso de helio fue una elección deliberada; a diferencia del hidrógeno, que es inflamable y requiere un manejo cuidadoso, el helio es inerte y más seguro de trabajar en una instalación que opera continuamente.

Los resultados muestran que este enfoque totalmente reflectante es robusto. Al usar espejos en lugar de lentes, los investigadores evitaron las distorsiones térmicas que a menudo plagan los sistemas de láser de alta potencia. Encontraron que los haces de electrones producidos eran estables en dirección y tenían una baja dispersión, lo que significa que las partículas se mantenían juntas en un grupo compacto. La energía de los electrones alcanzó hasta 5 mil millones de electrones voltios, lo cual es consistente con lo que la teoría predice para estas condiciones. El equipo señaló que el proceso dependía de una sincronización específica entre los dos pulsos láser para crear el canal justo antes de que llegara el pulso principal, un equilibrio delicado que su sistema logró mantener disparo tras disparo.

Este trabajo no pretende haber resuelto todos los problemas de la aceleración de partículas, pero proporciona un camino claro a seguir. El método es lo suficientemente simple como para no requerir cambios mayores en las instalaciones láser existentes, lo que lo hace accesible para que otros centros de investigación lo adopten. Al demostrar que la aceleración estable y de alta energía es posible con un gas seguro y una configuración óptica duradera, los investigadores han eliminado varias barreras que han frenado esta tecnología. Los hallazgos sugieren que los aceleradores futuros podrían construirse más pequeños, más seguros y más confiables, abriendo potencialmente la puerta a nuevas aplicaciones en medicina y ciencia de materiales, así como a nuevos descubrimientos en la física fundamental. El éxito de este experimento reside no en un único avance dramático, sino en la demostración constante de que un problema difícil puede resolverse con un diseño sencillo y duradero.